Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИЯ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ
1 Виды дифференциации обучения в классах с углубленным изучением физики 8
2. Концепция углубленного изучения физики 15
3. Роль моделей при углубленном изучении физики 23
4. Модели в молекулярно-кинетической теории газа 35
5. Принципы отбора учебного материала по теме «Молекулярная физика» 47
ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМЫ МЕТОДИКИ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ ГАЗА
1. Давление идеального газа 53
2. Абсолютная (термодинамическая) температура 59
3. Теплоемкости идеального газа 70
4, Статистические распределения 78
5. Газ Ван-дер-Ваальса 96
б. Пары 106
ГЛАВА 3. УЧЕБНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ТЕМЕ «МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗА»
1. Отбор используемого учебного эксперимента 122
2. Особенности учебного эксперимента в условиях Республики Вьетнам 128
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Подготовка к педагогическому эксперименту 135
2, Организация и проведение констатирующего эксперимента 137
3. Организация и проведение поискового эксперимента 138
4. Организация и проведение обучающего эксперимента 141
145 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература 146
Приложение 1. Анкеты (для учителя и учащихся) 160
Приложение 2. Тест для 10 класса по теме «Молекулярно-кинетическая теория газа» 162
Приложение 3. Проверка закономерностей броуновского движения 172
Приложение 4. Последовательность изучения тем в курсе физики школ Республики Вьетнам и в экспе риментальной программе дпялжол с углубленным изучением физики (10-12 классы) 178
- Виды дифференциации обучения в классах с углубленным изучением физики
- Давление идеального газа
- Отбор используемого учебного эксперимента
Введение к работе
Для успешного решения задач, стоящих перед школой, следует, с одной стороны, обеспечить овладение всеми учащимися четко определенным объемом знаний и умений на уровне обязательных требований, оптимальных с точки зрения необходимости для каждого члена общества, с другой стороны, создать реальную возможность углубленного изучения предметов с учетом интересов и способностей учащихся.
Во Вьетнаме около 30 лет ведется углубленное изучение физики б специальных физико-математических школах. Число этих школ ежегодно увеличивается. В каждой из 61 областей Вьетнама имеется по крайней мере одна такая школа. Подготовка учащихся, овладевших глубокими знаниями и умениями в области дисциплин физико-математического цикла и способных успешно продолжить обучение в высшей школе, является для Вьетнама исключительно важной проблемой, однако методы обучения и содержание образования в этих школах разработаны недостаточно.
В средних школах России углубленное изучение предметов, в частности физики, имеет богатые традиции и достаточно длительную историю. На пути серьезного повышения научного уровня преподавания физики на основе генерализации содержания вокруг фундаментальных физических теорий обращали внимание такие известные ученые-педагоги, как Ю. И. Дик, С. Е. Каменецкий, В. В. Мултановский, И. И. Нурминский, Л. И. Резников, В. Г. Разумовский, Л. С. Хижнякова, С. Я. Шамаш, Э. Б. Эвенчик и др.
Значительный вклад в развитие системы углубленного изучения физики внесли А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, А. А. Пинский, Н. С. Пу-рышева, Л. П. Свитков, В. В. Усанов, Н. М. Шахмаев, Б. М. Яворский и др.
В настоящем исследовании предполагается на основе анализа методики преподавания основ молекулярно-кинетической теории газов в развитых стра-
нах мира, в особенности в России, разработать современную методику углубленного изучения этой темы и предложить ее для использования в физико-математических школах Вьетнама.
При изучении этой темы учащиеся впервые должны совершить переход от усвоения динамических закономерностей к получению статистических представлений, без которых нельзя понять законы молекулярно-кинетической теории вещества. Решение этой задачи связано с раскрытием роли и содержания экспериментальных методов молекулярной физики. Среди них наиболее важные для формирования статистических представлений являются опыты Перрена по изучению броуновского движения и Штерна по измерению скоростей движения молекул газа и изучению их распределения.
Разумеется не менее важны и теоретические методы научного познания, поскольку известно, что Перрен «проверял» формулу Эйнштейна и Смолухов-ского, а Штерн — распределение молекул по скоростям Максвелла, полученные теоретическим путем.
Одной из ведущих идей углубленного изучения молекулярно-кинетической теории вещества является усвоение не только идей классической, но и квантовой теории вещества. В частности, при изучении понятия теплоемкости газа следует привести учащихся к пониманию, что не всегда выполняется классический закон равномерного распределения энергии по степеням свободы и что только в рамках квантовой теории можно объяснить факт возрастания теплоємкостей многоатомных газов от температуры. Не может классическая теория теплоємкостей объяснить, почему мы учитываем кинетическую энергию поступательного двилсения одноатомных инертных газов и не учитываем энергию их вращения, хотя атомы вовсе не точечные объекты.
Интересно и весьма перспективно в этом плане предложение С, Е. Каме-нецкого и А, Н. Мансурова изучать строение вещества после изучения квантовой физики.
Цель исследования: повышение научного уровня учебного процесса в
классах с углубленным изучением физики в Республике Вьетнам.
Объект исследования: учебный процесс в классах с углубленным изучением физики в Республике Вьетнам.
Предмет исследования: методика изучения молекулярно-кинетическои теории газа.
Гипотеза исследования заключается в предположении, что для повышения научного уровня изучения указанной темы необходимо формировать у школьников квантово-статистические представления о строении вещества.
Задачи исследования: S изучить опыт преподавания молекулярной физики в школах России и других
индустриально развитых стран; S разработать методику изучения молекулярно-кинетическои теории газа в
классах с углубленным изучением физики; S разработать учебный эксперимент по теме, обратив особое внимание на использование моделей; S экспериментально проверить эффективность предложенной методики.
Научная новизна: впервые в практике Вьетнама разработана методика изучения газообразного состояния вещества с выяснением роли моделей в процессе обучения с целью формирования статистических представлений о закономерностях молекулярно-кинетическои теории, показа границ применимости классических представлений и элементарного изложения квантовых идей применительно к свойствам газа.
В процессе выполнения работы применялись как теоретические методы исследования: изучение и анализ научной, философской, педагогической, психологической и учебно-методической литературы, связанной с темой исследования^поэлементный анализ новой методики, моделирование, так и экспериментальные: опытно-конструкторская работа по созданию экспе-
риментальных установок, личное преподавание и руководство педагогическим экспериментом с последующим качественным и количественным анализом полученных результатов.
Теоретическая значимость исследования состоит в разработке современной методики изучения молекулярно-кинетической теории газа в школах физико-математического профиля, выявлении ее эффективности и доступности. Практическая значимость: разработанная методика может быть использована в классах с углубленным изучением физики как в Республике Вьетнам, так и в аналогичных классах России и других стран. Результаты исследования могут быть использованы при проведении реформы образования во Вьетнаме для создания учебно-методических пособий для углубленного изучения физики, а также при подготовке и повышении квалификации учителей физики Вьетнама.
На защиту выносятся: ^ основные положения концепции углубленного изучения физики; S анализ роли классических и квантовых моделей при углубленном изучении
молекулярно-кинетической теории газа; S гфивпипы отбора учебного материала по теме;
S методика введения основных понятии МЕСТ газа с учетом статистических и квантовых закономерностей. Достоверность и обоснованность работы обеспечиваются результатами проведенного теоретического исследования и педагогического эксперимента, опорой на положения научной методологии, соответствием гипотезы исследования современным тенденциям развития школьного физического образования, учетом закономерностей процесса формирования у школьников научных понятий.
Апробация работы. Основные идеи, содержание и результаты диссертационного исследования докладывались автором и обсуждались на заседаниях
-7-лаборатории физики и астрономии и аспирантских семинарах Института общего среднего образования РАО в 1995-1998 гг., а также на методических совещаниях во Вьетнаме.
По материалам исследования подготовлено 5 работ.
"і
Виды дифференциации обучения в классах с углубленным изучением физики
В педагогической литературе различают два вида дифференциации обучения — внешнюю и внутреннюю. В соответствии с концепцией дифференциации обучения, разработанной В. М. Монаховым, В. А. Орловым и В. В. Фирсовым [74], внешняя дифференциация — это такая организация учебного процесса, при которой учащиеся объединяются в группы по некоторому признаку или основанию. Например, такими основаниями могут быть возраст, способности, склонности, степень успешности к обучению, желание родителей, проектируемая профессия и пр. Обучение в этих группах ведется по особым программам и учебникам.
Сущность внешней дифференциации «заключается в направленной специализации образования области устойчивых интересов, склонностей и способностей школьников с целью их максимального развития в данном направлении» , с43].
Под внутренней дифференциацией понимают такую организацию учебного процесса, при которой учет индивидуальных особенностей учащихся проводится в рамках их обучения в одном классе. Все они работают по одинаковым учебным планам, программам, учебникам, но учитель использует индивидуальные методы работы, формы и средства обучения.
Внутренняя дифференциация трактуется рядом авторов как «различное обучение детей в достаточно большой группе учащихся (классе), подобранной по случайным признакам». Эта форма основана на возможно более полном учете индивидуальных и групповых особенностей учащихся. Она предполагает вариативность темпа изучения материала, дифференциацию учебных заданий, выбор разных видов деятельности, определение характера и степени дозировки помощи со стороны учителя. При этом возможно разделение учащихся на группы внутри класса с целью осуществления учебной работы с ними на разных уровнях и разными методами. Эти группы, как правило, мобильны, гибки, подвижны [74, 75].
Особенность внутренней дифференциации на современном этапе — ее направленность не только на детей, испытывающих трудности в обучении ..., но и на одаренных детей [74, с.42].
Изложенное выше представлено в обобщенном виде на схеме 1, в которой разные виды дифференциации классифицированы по основаниям, положенным в ее основу.
Следует также уточнить соотношение между понятиями «индивидуализация» и «индивидуальный подход», а также «дифференциация» и «дифференцированный подход».
В литературе понятие «индивидуальный подход» чаще всего выступает как принцип обучения. Он является альтернативой коллективному характеру обучения и чаще других употребляется в следуюпщх сочетаниях: индивидуальный подход к учащимся в условиях коллективной работы с классом [24, с.206], учет индивидуальных особенностей в коллективной работе с учащимися [140, с.95], коллективный характер обучения и учет индивидуальных особенностей учащихся [26, с.84], оптимальное сочетание общеклассных, групповых и индивидуальных форм организации учебного процесса [3, с.21], сочетание индивидуальной и коллективной работы [30,с.31]идр.
Что касается дифференцированного подхода, в литературе как самостоятельный принцип обучения он не выделяется. Чаще он используется как силоним понятия «индивидуальный подход». Мы будем понимать под термином «индивидуальный подход» и «дифференцированный подход» принципы обучения, а под индивидуализацией и дифференциацией — осуществление этих: принципов. Такая трактовка понятий принята и в ряде работ, например, у Е, С. Рабунского [110], Н. С. Пурышевой [108], И. Унт [143] и др.
Обсудим теперь методику реализации дифференцированного обучения.
Существует несколько путей (или форм) его реализации, которые сложились к настоящему времени. Сегодня можно выделить сложившуюся как в России, так и за ее пределами объективную тенденцию дифференциации двумя основными способами:
— «Разветвление» содержания образования на отдельные области знания, что проходит, в основном, на старшей ступени школы;
— Добавление к обязательным предметам дисциплин или их комплексов, которые изучаются по выбору.
На практике эти два способа конкретизируются совокупностью приемов: происходит «обогащение» содержания базового учебного плана за счет расширения круга изучаемых предметов, углубления программ отдельных учебных дисциплин, составления индивидуальных планов в соответствии с интересами и профессиональными намерениями, за счет вариации времени, отводимого на изучение учебного предмета, соответствующего личным способностям и возможностям ученика [142].
Давление идеального газа
Ознакомление школьников со статистическим методом исследования связано с формированием рассмотренных выше вероятностно-статистических понятий при изучении конкретных статистических свойств системы частиц (молекул, атомов) идеального газа.
Рассмотрение в начале раздела сведений о молекулах (атомах) позволяет прийти к выводу, что наиболее существенная особенность молекулярного движения в идеальном газе — хаотичность, которая проявляется в равномерном распределении молекул по объему и направлениям движения, а также в распределении молекул по скоростям. Даже если каким-либо способом нарушить эту равномерность в распределении молекул по объему и направлениям движения, то в газе, предоставленном самому себе, со временем установится равномерное распределение. Измерение давления, температуры и других макросвойств системы при ее переходе в равновесное состояние убеждают нас в этом.
При столкновении молекул их скорости меняются по величине и направлению, благодаря чему возникает определенное распределение молекул по скоростям, теоретически предсказанное Максвеллом и экспериментально доказанное в опыте Штерна.
Описать хаотичность молекулярного движения законами механики невозможно. Статистический метод при описании этого движения использует вероятностно-статистические понятия.
Понятие вероятности случайного события школьники воспринимают без особых затруднений. Их жизненный опыт позволяет определить случайное событие как событие, которое может произойти или не произойти. Например, скорость и направление движения отдельных молекул — случайное событие. Законами механики их предсказать невозможно. Вместе с тем каждое случайное событие имеет свою причину. Множество однородных случайных событий подчиняется статистическим закономерностям, которые, в отличие от динамических, выражают не только необходимые, но и случайные причинно-следственные связи между величинами. Вероятность случайного события — количественная мера возможности того, что событие произойдет или не произойдет, — исследуется статистическим методом, и в этом его отличие от других методов исследования.
Важно показать учащимся, что вероятность может быть определена по-разному. Рассмотрим пример с газом, находящимся в сосуде объемом V, Допустим, мы следим за перемещением отдельной молекулы. Какова вероятность того, что эта молекула в данный момент времени находится в объеме AV, являющимся частью объема V? Ответ на этот вопрос можно отыскать двумя способами. Во-первых, вероятность появления молекулы в объеме AV можно определить как предел, к которому стремится t/т — отношение времени t нахождения молекулы в объеме AV ко времени т изучения перемещения молекулы (при беспредельном возрастании т). Во-вторых, вероятность появления молекулы в объеме AV можно определить как отношение AV/V. Если AV = V, то вероятность равна единице и молекула обязательно находится где-то в объеме V, т.е. вероятность становится достоверностью.
С помощью таким образом определенной вероятности можно охарактеризовать распределение частиц по объему сосуда. Мысленно разделим сосуд на две равные части. Допустим, в сосуде находится одна частица.
Отбор используемого учебного эксперимента
Отметим, что любому виду эксперимента присущи следующие черты; — активное отношение человека к внешнему миру;
— вмешательство в явления, процессы внешнего мира специальными приборами;
— выделение реально изучаемых связей и исключение по возможности побочных и случайных влияний;
— воспроизведение и неоднократное повторение изучаемых явлений в определенных условиях;
— планомерное изменение условий протекания явления или процесса;
— организованность и направленность с целью сведения к минимуму элементов случайности и получения однозначного результата.
Структурно учебный эксперимент можно представить в виде следующей программы (68, с. 82):
Тем самым удается расчленить эксперимент на три составляющие:
1. Экспериментатор и его деятельность как познающего субъекта;
2. Объект и предмет экспериментального исследования;
3. Средства экспериментального исследования (инструменты, приборы, экспериментальные установки и т.д.).
Во взаимосвязи данных структурных элементов первый из них представляет собой субъективную, а второй и третий — объективную сторону эксперимента. С методологической точки зрения следует, что объективная сторона эксперимента не исчерпывается одним лишь предметом экспериментального исследования, а включает в себя изолирующие, регистрирующие, приготавливающие и преобразующие объект средства экспериментирования [68, с. 83].
Учебный эксперимент ставится для того, чтобы быстрее, убедительнее, интереснее совершить путь от незнания к знанию, от неполного к более полному знанию, от теории к практике. Являясь одновременно источником знаний, методом обучения и видом наглядности, учебный эксперимент служит «для открытия» явлений, законов, имеющих субъективную новизну.
В систему школьного физического эксперимента должны войти:
1) Фундаментальные опыты, составляющие экспериментальную основу современной физики (часть в виде демонстраций, выполняемых учителем, а часть в виде лабораторных опытов, проводимых учащимися);
2) Демонстрационные опыты, постановка которых вытекает из педагогических соображений;
3) Фронтальные лабораторные работы;
4) Физический практикум.
Программа по физике ставит перед физическим экспериментом следующие задачи:
1. Обеспечение наилучшего усвоения учащимися понятий, законов, теорий; формирование умений и навыков в применении знаний в практике;
2. Знакомство с важнейшими способами и методами исследования природы;
3. Систематизация, обработка и передача информации;
4. Повышение интереса учащихся к предмету и подготовка их к освоению новой техники и технологии материального производства;
5. Формирование у учащихся умений самостоятельной работы и творческого отношения к делу;
6. Формирование практических умений и навыков, подготовка к труду в сфере материального производства [68, с. 86].
При решении современных учебно-воспитательных задач, стоящих перед школьным курсом физики, возрастает роль учебного физического эксперимента. Рядом ученых-методистов намечены определенные подходы к использованию физического эксперимента в учебном процессе. Так ведущая идея современного преподавания физики — генерализация учебного материала на основе теории определяет место как демонстрационного, так и лабораторного эксперимента при рассмотрении исходных опытных фактов и построенных на их основе моделей, знакомстве со следствиями законов и их практическими приложениями. Разработаны обобщенные планы деятельности учащихся при выполнении лабораторных опытов (А.В.Усова, А.А.Бобров), рассмотрены функции эксперимента при формировании физических понятий (Т.Н.Шамало). Появились крупные научные изыскания, направленные на приведение школьного физического эксперимента в единую методологическую систему (О.Ф.Кабардин, Л.И.Анциферов) [129, с. 77]. Структура методики и техники школьного физического эксперимента определена в исследованиях Ю .И.Дика, В.Я.Синенко, С.А.Хорошавина, Н.М.Шахмаева, В.Ф.Шилова, Г.Г.Никифорова).
